Existing plane stress solutions for thin plates and disks have shown several qualitative features which are difficult to handle with the use of commercial numerical codes (non-existence of solutions, singular solutions, rapid growth of the plastic zone with a loading parameter). In order to understand the effect of temperature and pressure-dependency of the yield criterion on some of such features as well as on the distribution of residual stresses and strains, a semi-analytic solution for a thin hollow disk fixed to a rigid container and subject to thermal loading and subsequent unloading is derived. The material model is elastic-perfectly/plastic. The Drucker-Prager pressure-dependent yield criterion and the equation of incompressibity for plastic strains are adopted. The distribution of residual stresses and strains is illustrated for a wide range of the parameter which controls pressure-dependency of the yield criterion.
In the present paper we report the results of a study into Friction Stir Welds (FSWs) made in 13 mm-thick 12%-Cr steel plates. Based on residual strains obtained by diffraction techniques, eigenstrain analysis was performed using the Eigenstrain Reconstruction Method (ERM), which is a novel methodology for the reconstruction of full-field residual strain and stress distributions within engineering components. Significant eigenstrain distributions were found at around Thermo-Mechanically Affected Zone (TMAZ) where the most severe plastic deformation was occurred. Microstructure analysis was used to elucidate this phenomenon showing that the grain structure in TMAZ was bent and not successfully recrystallised, resulting in severe deformation behaviour. The reconstructed residual strain distributions by the ERM agree well with the experimental results. It was found that the approach based on theory of eigenstrain is a powerful basis for reconstructing the full-field residual strain/stress distributions in engineering components and structures.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제7권2호
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pp.29-35
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1983
In general, for measuring residual stresses in plane stress state, two principal stresses {\sigma}_1 , {\sigma}_2$ and their directions .theta., should be determined. Naturally, for deciding three unknowns ${\sigma}_1, {\sigma}_2, ${\theta}$-three informations are necessary and therefore three strain gages are required for determining residual stresses at one point. In this paper, we tried to measure the residual stresses of one point with only two strain gages by drilling twice the hole of different diameters at the point and by detecting relaxation strains for each hole-drilling. We present also the formulas for determining the residual stresses from relaxation strains detected by strain gages in each hole-drilling. We carried out experiment, determining principal stresses and their directions of specimens applied specified uniform stress, and compared experimental results with the values calculated by formulas presented in this paper. The values calculated by formulas presented in this paper are always a little greater than the experimental results.
It is well known that metal cutting leaves a plastically deformed layer in the machined surface. This residual phenomenon affects in various forms the physical properties of machined components such as the fatigue strength, the dimensional instability, microcracks, and the stress corrosion cracking. These physical properties, so called surface integrity, are very important for designing highly stressed and critically loaded components. Typical plastic strains in the machined surface are very difficult to measure, since they are located within a very short distance from the surface and they change very rapidly. There is an alternative way to determine the residual strain in plastically deformed materials by measuring the grain size after a subsequent recrystallization process. Although, this technique has been successfully applied by several researchers to find the plastic zone around notches and cracks in various materials and welding beads, few works have been reported using the recrystallization method to determine the residual strains in machined surface. Therefore, the purpose of this investigation Is to explore the effectiveness of the recrystallization technique in machining applications, and in particular, to find the effect of cutting parameters, i.e., depth of cut and rake angle on the plastic strains.
An elastic-plastic contact analysis is developed using a semi-analytical method. The elastic contact is solved within a Hertz theorem. The reciprocal theorem with initial strains is then introduced, to express the surface geometry as a function of contact stress and plastic strains. The irreversible nature of plasticity leads to an incremental formulation of the elastic-plastic contact problem, and an algorithm to solve this problem is set up. Closed form expression, which give residual stresses and surface displacements from plastic strains, are obtained by integration of the reciprocal theorem. The distribution of contact stress, residual stress and plastic strain are obtained by the changed surface geometry.
본 연구에서는 방전가공(electric disharge machining, EDM) 또는 공기연마 분사기(air-abrasive jet machine, AJM) 가공에 의하여 인장 시험편 또는 외팔보 시험 편에 구멍깊이를 증가시켜 가면서 구멍을 뚫었다. 여기에서 방저가공(EDM)을 채택한 것은 구멍깊이를 직접 계측하는 것이 가능하여 구멍깊이 측정 오차에 기인하는 잔류응 력 측정오차를 최소화 할 수 있기 때문이며, 공기연마 분사기를 채택한 것은 구멍을 뚫는 동안 가공응력을 유발시키지 않기 때문이었다. 위 인장 시험편 또는 외팔보 시 험편을 이용하여 균일한 응력장과 두께 방향으로 변하는 선형적 구배응력장을 구현하 고, 이 때 각각 구멍깊이가 다른 원통형 막힘 구멍으로 부터 이완되는 스트레인을 계 측하였다. Schajer가 제안한 멱급수법과 최소장승법을 적용하여 균일응력장 또는 구 배 응력장에서 측정되는 스트레인을 잔류응력으로 환산하였으며, 환산된 잔류응력과 실제로 작용하는 응력을 비교하므로서 이론적으로 제시된 멱급수법과 최소자승법의 타 당성을 실험적으로 검토하는데 본 연구의 목적이 있다. 이 때 얕은 구멍깊이 (0.3∼ 1.2mm)에서 측정되는 스트레인을 이용하여 Schajer의 제안에 따라 잔류응력을 산정하 므로서, 잔류응력 계측 대상 구조물을 가급적 덜파괴시키며 잔류응력을 측정할 수 있 는지 여부를 실험적으로 검토하였다.
This paper presents a method of calculation of the stresses, the strains and the deflections due to welding in L shape and in T shape. Using step by step method of plasticity and establishing the equilibrium conditions in section, we calculated thermal stresses and strains during welding and in the final step of calculation we got the residual stresses, strains and the deflections due to welding. Also we measured the stresses and the strains with hole-drilling method and compared the results with the method of calculation presented in this paper. Because of its symmetry of section, the deflection due to welding in T shape is generally much less than that in L shape. The residual stresses are tensile in welded joints and HAZ, and compressive in base metal as butt welding of plates, but the compressive stresses in base metal decrease repidly as the points are away from welded joint except horizontal plates of T shape. The theoretical method of calculaiton presented in this paper coincides faily well with the experiment.
In manufacturing of pipe walls for boiler units, distortion can result in pipe-web-pipe joints from the nonuniform expansion and contraction of the weld metal and the adjacent base metal during heating and cooling cycle of the welding process. In this study, the stresses and strains during longitudinal welding of the plate-to-pipe joint were investigated. Using the method of successive elastic solution, longitudinal stresses and strains during and after welding were calculated from the information of temperature distributions obtained by Rosenthal's equations. In order to confirm the validity of the numerical results, the temperature and residual stress distributions were measured and compared with the calculated results. In spite of some assumptions, the one-dimensional analytical results of residual stresses were in fairly good agreement with the experimental ones. The residual stresses due to welding of plate-to-pipe joints are tensile near the weld line and compressive in the base metal as in the welding of plates. the amount and distribution of residual stresses were deeply dependent on the heat input ratio of the plate and pipe.
The problems of thermal stress and residual stress in resistance spot welding are studied from two standpoint namely, effect of temperature distributions and effect of the radius of free boundary. The radius of the region where the temperature distributions are occured is taken as a function of time after welding and as a finite size, 6 times of heated zone. The region of the radial stress distribution is treated as a function of time under Saint-Venant's principle and 6 or 12 times of originally heated zone. Thermal stresses and strains are obtained by analytic solution under constant mechanical properties and by the finite difference method for varing properties under temperature variation. From the computed results following conclusions are derived (1) For the engineering purpose, the region of temperature distribution and stress distribution can be treated as a finite region, $R=r_o=6r_e$ (2) If the maximum temperature of the aluminum alloy plate is less than $500^{\circ}F$, thermal stresses and strains can be obtained with constant mechanical properties. (3) The residual stresses and strains will be remained in welds and its vicinity.
For the rational and economic design of the structural elements of ships which is built using welding, the ultimate strength analyses of the plates having initial imperfections, such as welding residual stresses and strains, are needful. The welding deformation usually relied on approximative equations or based on expert's experience. But in this paper, for the thermal elasto-plastic analysis of plates, the finite element analysis was performed, based on initial strain method. In formulating the incremental analysis, unbalanced force terns were included. In the plastic domain during the incremental process, the 2nd order terns stress increment and yield stress increment were considered, so that time increment could be controlled for a more stable solution. The ultimate strength analysis program of the plates having initial imperfections was made. The ultimate strength analysis was carried out based on the results of the welding deformations of this paper. In the ultimate strength analysis the Rayleigh-Ritz method based on the minimum potential theory was used.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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